振动时效：残余应力消除与效果评定

在传统的加工生产中，焊后热处理是消除焊接后残余应力的最有效方式。但是这个方式也存在许多的缺陷，比如加热过程造成构件表面氧化，影响材料整体的性能。近年来，振动时效（vibratory stress reliref）作为一个可替代的消除焊接残余应力的方式被提出，但是它的适用性被各方学者争论了几十年。尽管振动时效过程不可否认地提升了部件的尺寸稳定性，但是它对于残余应力的调控与消除效果依旧饱受争议。目前，振动时效技术用于消除小件残余应力的效果是明显的，但是在实际应用中时效效果表现出不稳定性，其根本原因就是对振动时效的机理没有形成一个科学的、完善的理论体系［8］。

振动时效的原理在宏观上是以机械振动的形式对工件施加应力，当附加的应力与残余应力叠加的总应力达到或者超过材料的屈服极限，位错将发生运动，构件的应力集中区域产生了塑性变形，使得残余应力得以释放；在微观上，在外加载荷的作用下，当剪切动应力与剪切残余应力之和大于等于材料的剪切屈服极限时，位错发生运动，产生位错增值、塞积和缠结等现象，使得高残余应力区域的位错塞积群开始运动，使晶体产生微观塑性变形，高的残余应力得以释放。

5.1.3.1　振动时效参数

振动时效最重要的工艺参数是动应力和激振时间。激振频率的选择对动应力有着放大效应，也是一个重要的工艺参数。另外，工件的支撑方式、激振点、拾振点等对振动时效的效果也有影响。各个工艺参数的确定机制如下［8-9］：

1）动应力

振动时效通过激振器向工件提供激振力，从而在内部产生动应力。对于机械式的激振器，激振力的大小可以通过公式F＝meω2 sin（ωt）计算（式中，m为偏心轮的质量，e为偏心距，ω为电机转动角速度）。在生产过程中，如果动应力过大，可能会降低工件的疲劳寿命；而如果动应力过小，则需要更长的振动处理时间或者无法达到生产要求的残余应力调控消除效果。动应力与残余应力之和大于材料的疲劳极限，以及动应力小于材料的疲劳极限，是目前确定振动时效动应力的最基本的依据。

目前，振动时效的工艺中，其动应力大多数情况下均是根据经验值来选取的：Rd＝（1/3～2/3）Rw，其中Rw是工作应力，是在设计过程中已经确定的。

2）激振频率

振动时效处理时通过调节激振器电机的转速来得到不同的激振频率。振动时效从本质上就是通过机械振动给工件提供能量，使得晶格中畸变原子回复，从而降低工件中的残余应力。激振频率达到固有频率时使得工件产生共振，在共振时最小的振动能量输入激振力，就能够在工件上产生最大的振动量，包括动应力和振幅，使工件内部残余应力消减最多。振动时效的激振频率选择原则是以较小的能耗产生较大的振幅，即共振情况要好。影响工件固有频率的主要因素有工件的材质、形状、尺寸、重量、刚度、阻尼和支撑状态等。一般情况下，工件具有多个固有频率，要使其发生共振有多个固有频率可供选择。共振状态下振动是不稳定的，对激振器和工件可能造成破坏，一般选用接近工件固有频率的激振频率进行时效处理。由于工件在振动时效的过程中残余应力的水平会不断下降，工件结构的阻尼随之减小，导致共振频率会有所降低，所以振动时效应选择在亚共振区进行，一般选择主振峰值的1/3～2/3为激振频率。这样既可以发挥放大激振力的作用，振动也会比较稳定。

3）激振时间

振动消除残余应力时，位错发生移动是需要时间的。由于不同工件的材料、刚度、结构、质量、残余应力大小和分布不同，所以振动时间也应有所不同。振动时效的选择可以根据工件的质量或工件动态参数特性曲线的变化来选取。

金属工件重量小于1 t，处理时间为10～20 min；重量1～4.5 t，处理时间20～30 min；重量大于4.5 t，处理时间30～35 min。在实际生产中，大多依据工件的重量确定振动时效的激振时间长短。

根据工件动态参数特性曲线选取法，则是凭借时效过程中工件动态参数变化来控制时效时间。工件在时效一段时间后，残余应力得到松弛，金属内部位错滑移变形，振幅曲线在时效开始的初期会有较快增长，这种增长趋势在达到最高值之后会逐渐下降并趋于平坦，说明工件的应力已经下降并且分布趋于平衡，材料的抗变形能力被强化，尺寸稳定。

4）其他时效参数

除了激振力、激振频率、激振时间外，工件的支撑点、激振点、拾振点也对振动时效效果有一定的影响。

工件支撑点的设置对工件的固有频率和振型有一定的影响，因此应根据工件的振型选择合适的支撑点。当工件的支撑点改变时，工件的扫频曲线和固有振型也会发生变化，激振点选取位置的不同将对振动响应产生影响。支撑点应选在工件固有振型的节点处，在节点处工件的振动幅值为零，能避免支撑物和零件在振动过程中相互碰撞消耗振动能量和产生噪声污染。

激振点一般选择在工件刚性较好的部位和固有振型振幅较大处，可用最小能量激发产生较大的振动。同时激振点的选择要注意避开工件的薄弱环节。合理的激振位置和支撑位置，能使工件在振动过程中保持平衡，振动幅值大，时效效果好。拾振点一般选择在远离激振点的另一端振幅较大处。合理的拾振器（或其他传感器）和拾振点能有效地了解和判断振动效果。(www.xing528.com)

振动调整残余应力的处理操作程序比较简单。首先，用激振器扫频确定构件的固率，根据构件的情况选择激振力；然后，用激振器在共振频率或亚共振频率上施加振钟，用快速监测法确定振动时效的结果是否有效。振动时效技术可用于降低焊接残余应力和提高构件尺寸与形状的稳定性。振动时效设备图如图5-5所示。

图5-5　振动时效设备图［5］

5.1.3.2　振动时效效果评定

经过振动时效工艺处理后，工件内部处理效果是否明显、残余应力是否消除等是判断时效工艺是否达到时效目的的判据。参照振动时效标准，振动时效消除残余应力评价方法主要有实测法和参数曲线观测法，前者是定量评价方法，后者是定性评价方法。

1）实测法

实测法包括构件尺寸精度稳定性检验和检测时效前后残余应力的变化两种［9］。

（1）尺寸精度稳定性测量法。工件尺寸精度的稳定性是依靠测量工件尺寸精度实现的。观察工件在动态载荷加载、静态稳定放置下尺寸精度的变化。经过振动时效处理的工件，观察记录静态放置的状态下宏观尺寸的变化，通过静态变形测量得到工件尺寸精度的保持情况。静态放置虽然耗时较长，对放置场地要求高，但是效果比较可靠。

（2）残余应力实测法。通过测量工件在振动时效前后残余应力的变化是评价时效工艺效果的重要方法，通过比较测量时效前和时效后残余应力的平均值来计算应力降低率。目前主要采用盲孔法、X射线衍射法和磁测法等残余应力的测量方法。

①盲孔法（标准推荐）。用机械加工或其他方法除去一部分材料，使工件的残余应力松弛，引起工件的弹性变形，根据应变片变形量的大小计算残余应力。残余应力测量点数均应大于5个点。另外还有一种切割法，即通过机械加工方法去除一部分材料将残余应力释放，用应变片测量计算得到残余应力的大小。该方法适用于实验研究，不适用于生产现场。

②X射线衍射法（标准推荐）。根据金属材料中存在残余应力时出现的衍射线位移，推出相应晶面之间的应变量，根据应力、应变的关系，计算应力值。另外，还有一种中子衍射法，与X射线衍射法原理相同，可测量深层即厘米级别的残余应力。

③磁测法。根据金属材料内部残余应力对磁性、声波的传播速度和硬度等比较敏感的特性，测量磁性、声波等的变化量，推算工件残余应力的数值。

2）参数曲线观测法

实测法的两种测量评价方法虽然效果较好，但在实际生产中尤其是当被测工件生产成本较高或工期较短时不宜采用上述方法。振动时效过程中，通过设置拾振点安装加速度传感器，将振动过程的振动加速度信号传递到测量系统，获得振动参数曲线。主要有振动加速度（或振幅）与振动频率曲线（幅-频曲线或a-n曲线）和振动加速度与振动时间曲线（幅-时曲线或a-t曲线），其中利用幅-频曲线进行振动时效效果的评价比较常见。

构件在强迫振动的状态下，当振动频率接近其固有频率时，振动加速度（或振幅）会急剧升高，超过这一响应频率后又逐渐减小，在振动加速度（或振幅）曲线上形成一个峰值，称为共振峰。经过一次振动频率的扫频，记录下工件的振幅频率曲线，测出各阶共振频率值、波峰位置。时效过程中，随着时间的变化，振动消除构件残余应力的进行，材料得到强化，构件振动阻尼减小、金属内部位错移动减少，工件的共振峰峰值和形状都会发生变化，因此，比较振动时效前后的扫频曲线（幅频曲线）可以定性评价振动时效的效果（图5-6）。

图5-6　时效前后动态特性曲线变化［9］